CN112787737A - 一种多移动节点组网通信信道建模系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多移动节点组网通信信道建模系统，包括：网络模拟器通过Exata仿真平台提供想定编辑环境，通过加载想定文件并向全网广播对应数据，根据网络规划完成作战想定的生成、演示及分发功能；信道传输模拟器用于采用SDR硬件平台，实现信道模型的算法，根据短波通信、超短波通信以及微波通信的实际射频网络链路情况与通信质量，模拟通信网络的性能参数；平台模拟器用于模拟岸基、舰艇及飞机平台与通信密切相关的功能；业务终端半实物模拟器用于根据通信协议进行仿真以模拟短波、超短波及微波的功能；电台半实物模拟器模拟短波电台、超短波电台和微波电台的数据通信和语音通信功能。本发明实现多移动节点网络模拟器与信道模拟器通信功能。

Description

一种多移动节点组网通信信道建模系统

技术领域

本发明属于无线信道传输技术领域，更具体地，涉及一种多移动节点组网通信信道建模系统。

背景技术

针对多移动节点组网通信装备测试与验证需求，需要突破多移动节点随机移动方式下动态拓扑结构网络传播环境建模及硬件模拟技术，解决复杂电磁环境下多自由度多节点通信网络信道建模与高效模拟难题，实现动态组网通信装备快速验证和性能评估。无线信道仿真仪作为无线信道环境的仿真设备，实现了射频信道互连互通和动态无线信道的仿真。根据测试需求的不同，无线信道仿真仪应具备如下功能：(1)多路多点对多点射频通道的连接；(2)无线信道仿真：多径、时延、多普勒频移、衰落信道、噪声等仿真；(3)无线通信信噪比仿真。

在国外针对通信网络的应用效能的信道模拟器比较多。例如CSP1250传统模拟器是一种较早的短波基带信道模拟器，主要采用模拟器件搭建，体积大而笨重，操作繁琐，目前已停产。Rockwell公司的MDM3001是一台集110B波形标准的调制解调器，它兼有短波信道模拟器的功能，目前国内已禁运。Elektrobit公司的信道仿真仪C8包括GSM-R核心网、GSM-R接入网、终端、硬件测试系统、接口监测系统、无线信道建模与仿真研究平台等部分。多通道信道模拟器覆盖1MHZ～2705MHZ的射频频率范围，最大带宽30MHz，可满足在军事及民用领域中短波、超短波频段应用，支持用户在实验室中测试通信距离长达4000km的系统。提供4个独立通道，支持信道序列仿真。俄罗斯开发十米波段电离层信道多维信号信息传输系统，主要针对电离层信道中十米波段波的折射非常复杂，且主要地取决于频率。可以评估因折射特性与频率相关而导致的电离层信道宽频带信号畸变。

我国近年来对信道仿真的发展也高度关注。国内一些主要研究机构，如空军工程大学、陆军工程大学、国防科技大学等军事院校以及中电集团第十研究所，使用OPNET，OMnest，NS2等网络仿真工具对通信网络的性能进行了仿真研究，并且针对无线通信的信道性能进行了分析。北京交通大学研究团队自主研制多通道宽带信道仿真仪，成都坤恒顺维科技股份有限公司研制的KSW-WNS02无线信道仿真仪等。

综上，目前缺乏针对多移动节点的无线网络与无线信道联合通信仿真的建模方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多移动节点组网通信信道建模系统，旨在解决目前缺乏针对多移动节点的无线网络与无线信道联合通信仿真的建模方法的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多移动节点组网通信信道建模系统，包括：网络模拟器、信道传输模拟器、平台模拟器、业务终端半实物模拟器以及电台半实物模拟器；

所述网络模拟器用于通过Exata仿真平台提供基于图形界面和文本编辑相结合的作战想定编辑环境，通过加载作战想定文件并向全网广播对应数据，根据网络规划完成作战想定的生成、演示及分发功能；

所述信道传输模拟器用于采用软件无线电(Software Defined Radio，SDR)硬件平台，实现信道模型的算法，根据短波通信、超短波通信以及微波通信的实际射频网络链路情况与通信质量，模拟通信网络的性能参数；

所述平台模拟器用于采用工控机方式，模拟岸基、舰艇及飞机平台三者与通信密切相关的功能；

所述业务终端半实物模拟器用于采用半实物方式，根据通信协议进行仿真以模拟短波、超短波及微波的功能；

所述电台半实物模拟器采用半实物方式，模拟短波电台、超短波电台和微波电台的数据通信和语音通信功能。

可选地，所述系统采用剧情总线、任务总线以及信道总线的三总线架构；所述剧情总线用于将作战想定转变为模拟的兵力运动，所述任务总线用于传递通信网络规划参数，所述信道总线用于模拟实际射频网络运行环境；

通过剧情总线、任务总线以及信道总线，针对某一作战想定，通过信息源模拟，实现平台模拟器、业务终端半实物模拟器以及电台半实物模拟器的互联互通，同步开展通信网络规划和操作训练。

可选地，所述网络模拟器包括真实设备、接口模块以及虚拟仿真网络；

所述真实设备对应作战单元和战术通信系统，完成通信装备的相关应用消息的发送和接收；

所述接口模块在Exata机制下实现数据形式的相互转换；

所述虚拟仿真网络包括：节点模型、环境模型、信道模型以及性能分析模块，各个模型对数据进行处理和分析；

所述真实设备通过接口模块在虚拟仿真网络的基础上将实物映射接入虚拟仿真网络实现半实物仿真，虚拟仿真网络对虚拟作战场景进行的仿真。

可选地，所述信道模型用于接收剧情数据，根据无线电台模拟的接收和发射命令对发射端和接收端之间的信道进行传播估算，并将经过信道传播损耗后的功率数据发送给接收电台；

所述信道模型包括短波和超短波信道传播特性的模拟，其中短波传播采用ITU-RP.533天波传播模型和ITU-R P.368-9地波传播模型对短波传播进行模拟，超短波采用ITU-R P.525地球表面视距传播模型和自由空间衰减模型进行传播模拟；

所述信道模型包括硬件架构和软件架构；所述硬件架构基于SDR平台进行信道建模，所述软件架构通过软件编程来实现无线电台的各种功能，通过软件设置信道场景的参数来实现信道模拟功能。

可选地，所述信道模型软件架构中软件分为三层，分别是：算法实现层、功能控制层以及人机交互层。

可选地，所述算法实现层位于信道传输模拟器软件的最底层，是信道传输模拟器软件的核心部分；

所述算法实现层将信道传输模拟器的工作状态返回功能控制层；

所述算法实现层的工作包括：

根据信道中各节点的地理位置及其历史位置，计算各节点的姿态，确定其安装的通信天线在空间中的增益分布；再根据收发双反节点的位置确定其相互位置关系，确定发射电波方向的发射天线增益，入射电波方向的接发天线增益；

根据链路工作频率范围，确定链路传播模型，计算链路传播损耗；

建立地理环境模型，可描述地球表面视距、障碍物遮挡传播路径以及反射电波传播；

搭建多端口射频互联网络，为被测评的装备提供射频互联环境。

可选地，所述功能控制层的配置包括：多种路径参数设置模式、ITS路径参数设置模式、灵活的输出功率模式、信噪比锁定模式以及信道资源配置。

可选地，所述多种路径参数设置模式下，用户可详细指定每一条路径的延时，衰减、增益以及多普勒参数，对接收机多径克服算法进行详细调试和优化；

所述ITS路径参数设置模式下，用户通过设置ITS模型的参数，由设备自动生成个路径的衰减和相位，加速对设备在逼近真实的短波信道下的快速性能评估；

所述灵活的输出功率模式下，实行绝对衰减锁定模式，设备根据输入功率及所设置的信道衰减参数，输出符合实际接收机的接收功率，利于用户评估实际接收机的接收灵敏度；

信噪比锁定模式下，用户可根据预期的设备输出功率，设备在该输出功率上保证用户所获得的实际信噪比，利于用户在设定功率上的接收机性能评估；

信道资源配置模式下，每个通道可支持信道的多径数量配置，使用FPGA资源实现高速延时算法，所有的路径均支持延时配置。

可选地，所述人机交互层包括：剧情数据的列表显示、链路损耗的显示和通信参数配置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种多移动节点组网通信信道建模系统，基于Exata与SDR软硬一体的战术通信网络仿真平台，实现多移动节点网络模拟器与信道模拟器通信功能；本发明设计了一种多信道互联的仿真平台架构，实现多节点通信装备的短波、超短波和微波业务通信功能。本发明提出剧情总线、任务总线和信道总线三总线架构的效能评估验证平台，实现网络模拟器和信道模拟器的性能验证。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于Exata的通信网络模拟器结构图；

图2为本发明实施例提供的Exata软件和SDR硬件接口设计图；

图3为本发明实施例提供的多移动节点组网通信信道建模系统架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对该问题，本发明基于多节点通信装备功能特点，搭建通信装备仿真系统平台，实现无线网络与无线信道联合仿真系统，主要基于“硬件在环、人在回路”思想，构建半实物仿真平台，可以推广到现有移动通信包括短波、超短波、微波通信设备上。可用于多节点通信装备网络性能快速验证与测试，能够提升装备组网应用能力，具有非常广的推广价值和军事应用前景。

本发明的目的在于克服金属密闭空间环境针对无线电信号的影响，设计空中接口方案和无线通信组网方案。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

步骤(一)基于Exata与SDR软硬一体的战术通信网络仿真方法

本发明主要利用Exata仿真平台构建一个典型的基于多节点通信装备半实物通信网络模拟器。在Exata仿真模型和实装设备网络物理连接的基础上，实现了半实物混合建模仿真。系统仿真主要完成外部模拟指控的模拟、实装通信装备与通信装备仿真虚拟映射和协议组网等设计工作，实现将语音、电传、数据等低速业务在通信仿真网络中传输，达到与真实环境传输体制一致功能。基于Exata的通信网络模拟器结构如图1所示。

Exata软件是一套用于模拟大型有线和无线网络的综合工具，使用模拟和仿真来预测网络的行为和性能，以改进网络的设计、运行和管理。Exata SVN提供了一种性价比高且易于使用的替代物理测试床的方法，而物理测试床通常具有较高的设备成本、复杂的设置要求和有限的可伸缩性。Exata仿真软件完成的功能包括：

(1)使用Exata协议栈的osi风格架构设计新的通信协议模型；

(2)设计真实世界规模的无线网络。一般的仿真软件只能仿真200个无线网络，利用Exata可以运行在多核处理器计算机上，评估100和1000台设备的大型无线网络；

(3)执行假设分析分析网络的性能，并执行“假设分析来优化它们。可以设计一个网络，然后在路由协议、定时器和传输功率等参数发生变化时运行批处理实验来测试网络性能；

(4)使用Exata模拟网络连接真实的网络、应用程序和设备以及查看在仿真网络上运行的真实应用程序，如VoIP、Internet浏览器和流媒体视频，就像它们在真实网络上运行一样；

(5)将网络战演习与其他SAF/CGF模拟结合到传统的战争游戏演习中。

在构建半实物仿真系统前，需要构建通信网络模拟器的系统架构，主要包括真实设备、接口模块和虚拟仿真网络。其中，真实设备对应作战单元和战术通信系统，主要完成通信装备的相关应用消息的发送和接收；接口模块主要是在Exata机制下的相应操作，实现数据形式的相互转换；虚拟仿真网络则包括一系列模型，如节点模型、环境模型、信道模型以及性能分析模块对数据进行处理和分析。真实设备通过接口模块在虚拟仿真网络实现的基础上将实现将实物映射接入虚拟仿真网络实现半实物仿真，虚拟仿真网络实现是对虚拟作战场景进行的仿真，虚拟仿真网络是一个独立的场景，能够单独运行和实现。Exata软件和SDR硬件接口设计如图2所示。

步骤(二)基于虚拟仿真网络的信道模型建模方法

虚拟仿真网络中信道模型的主要工作流程是首先接收剧情数据；然后根据无线电台模拟的接收和发射命令对发射端和接收端之间的信道进行传播估算，最后并将经过信道传播损耗后的功率等数据发送给接收电台。

多节点通信信道建模包括短波和超短波等信道传播特性的模拟，其中短波传播采用ITU-RP.533天波传播模型和ITU-R P.368-9地波传播模型对短波传播进行模拟，超短波采用ITU-R P.525地球表面视距传播模型和自由空间衰减模型进行传播模拟。

根据短波信道、超短波信道和微波信道的模拟需求，信道模拟的设计方案包括硬件架构和软件架构两个部分。基于软件无线电硬件平台进行信道建模，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，通过软件设置信道场景的参数来实现信道模拟功能。

信道模拟硬件由信号处理板和射频处理板组成，信号处理板采用ARM+FPGA+DSP硬件设计。ARM的功能是显示控制和参数计算。FPGA主要完成数字前端和信号处理功能。射频前端包含大功率耦合器、射频通路、数控衰减器、滤波器、射频ADC和射频DAC等6部分组成。

信道模拟软件共分为3层，分别是算法实现层、功能控制层和人机交互层。

2.1算法实现层位于信道模拟器软件的最底层，是信道模拟器软件的核心部分。包括DSP参数计算和FPGA数字信号处理两个子系统。一方面，DSP子系统负责接收中间层的传递的参数，计算出FPGA信号处理子系统所需要的运行参数，如多普勒扩展、频移和路径增益等，FPGA子系统主要功能是模拟信道的大小尺度衰落；另一方面，算法实现层将模拟器的工作状态返回功能控制层。算法实现层包括：

(1)收发天线增益计算。根据各节点的地理位置及其历史位置，计算各节点的姿态，确定其安装的通信天线在空间中的增益分布；再根据收发双反节点的位置确定其相互位置关系，确定发射电波方向的发射天线增益，入射电波方向的接发天线增益。

(2)链路传播损耗计算。根据工作频率范围，确定链路传播模型，计算传播损耗。

(3)地理环境模拟。建立地理环境模型，可描述地球表面视距、障碍物遮挡传播路径、反射电波传播。

(4)多端口射频信道互联。搭建多端口射频互联网络，为被测评的装备提供射频互联环境。端口之间的损耗可独立编程，由外部信道模拟计算软件进行独立配置。

2.2功能控制层的配置包括多种路径参数设置模式、ITS路径参数设置模式、灵活的输出功率模式、信噪比锁定模式和信道资源配置。具体要求如下：

(1)多种路径参数设置模式：传统路径参数设置模式，用户可详细指定每一条路径的延时，衰减(增益)和多普勒等参数，非常方便地对接收机多径克服算法进行详细调试和优化。

(2)ITS路径参数设置模式：用户可以通过设置ITS模型的参数，由设备自动生成个路径的衰减，相位等特性，加速对设备在逼近真实的短波信道下的快速性能评估。

(3)灵活的输出功率模式，绝对衰减锁定模式，设备根据输入功率及所设置的信道衰减参数，输出符合实际接收机的接收功率，利于用户评估实际接收机的接收灵敏度等参数。

(4)信噪比锁定模式，用户可根据预期的设备输出功率，设备在该输出功率上保证用户所获得的实际信噪比，利于用户在特定功率上的接收机性能评估。

(5)信道资源配置，每个通道可支持信道的多径数量配置，使用FPGA资源进行高速延时算法实现，所有的路径均支持延时配置。

2.3人机交互层包括剧情数据的列表显示、链路损耗的显示和通信参数配置等功能。

步骤(三)网络模拟和信道模型的性能验证方法

网络模拟和信道模型性能验证平台的系统组成框图，即多移动节点组网通信信道建模系统架构如图3所示。包括网络模拟器、信道传输模拟器、平台模拟器、业务终端半实物模拟器和电台半实物模拟器。系统采用剧情总线、任务总线和信道总线的三总线架构。其中，剧情总线主要实现将作战想定转变为模拟的兵力运动，任务总线主要传递通信网络规划参数，信道总线主要模拟实际射频网络运行环境。

通过剧情总线、任务总线和信道总线架构，针对特定的战术想定，通过雷达等信息源模拟，实现平台模拟器、业务终端半实物模拟器和电台半实物模拟器的互联互通，同步开展通信网络规划和操作训练。

1、网络模拟器提供一个基于图形界面和文本编辑相结合的想定编辑环境，通过加载测试想定文件向全网广播数据，根据网络规划完成想定的生成、演示和分发功能。网络模拟器的主要功能点包括：

(1)提供想定的执行、暂停等想定调试功能；

(2)以图形或表页形式显示产生的目标剧情信息；

(3)剧情对象包括航路规划、运动参数等；

(4)提供剧情图形的放大、缩小、漫游功能。

2、信道传输模拟器采用软件无线电硬件平台，实现信道模型的算法，根据短波通信、超短波通信和微波通信的实际射频网络链路情况与通信质量，模拟通信网络的传输时延和误码率等性能参数。信道传输模拟器的主要功能点包括：

(1)剧情接收与显示功能；

(2)短波传播特性模拟功能；

(3)超短波传播特性模拟功能；

(4)射频信号模拟转发功能。

3、平台模拟器采用工控机方式，模拟岸基、舰艇和飞机平台与通信密切相关的功能。

4、业务终端半实物模拟器采用半实物方式，主要模拟短波、超短波和微波的功能，根据通信协议进行仿真运行。

5、电台半实物模拟器采用半实物方式，主要模拟典型短波电台、超短波电台和微波电台的数据通信和语音通信功能，设置参数包括频率范围、功率和工作方式等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，包括：网络模拟器、信道传输模拟器、平台模拟器、业务终端半实物模拟器以及电台半实物模拟器；

所述网络模拟器用于通过Exata仿真平台提供基于图形界面和文本编辑相结合的作战想定编辑环境，通过加载作战想定文件并向全网广播对应数据，根据网络规划完成作战想定的生成、演示及分发功能；

所述信道传输模拟器用于采用软件无线电SDR硬件平台，实现信道模型的算法，根据短波通信、超短波通信以及微波通信的实际射频网络链路情况与通信质量，模拟通信网络的性能参数；

所述平台模拟器用于采用工控机方式，模拟岸基、舰艇及飞机平台三者与通信密切相关的功能；

所述业务终端半实物模拟器用于采用半实物方式，根据通信协议进行仿真以模拟短波、超短波及微波的功能；

所述电台半实物模拟器采用半实物方式，模拟短波电台、超短波电台和微波电台的数据通信和语音通信功能。

2.根据权利要求1所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述系统采用剧情总线、任务总线以及信道总线的三总线架构；所述剧情总线用于将作战想定转变为模拟的兵力运动，所述任务总线用于传递通信网络规划参数，所述信道总线用于模拟实际射频网络运行环境；

通过剧情总线、任务总线以及信道总线，针对某一作战想定，通过信息源模拟，实现平台模拟器、业务终端半实物模拟器以及电台半实物模拟器的互联互通，同步开展通信网络规划和操作训练。

3.根据权利要求1所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述网络模拟器包括真实设备、接口模块以及虚拟仿真网络；

所述真实设备对应作战单元和战术通信系统，完成通信装备的相关应用消息的发送和接收；

所述接口模块在Exata机制下实现数据形式的相互转换；

所述虚拟仿真网络包括：节点模型、环境模型、信道模型以及性能分析模块，各个模型对数据进行处理和分析；

所述真实设备通过接口模块在虚拟仿真网络的基础上将实物映射接入虚拟仿真网络实现半实物仿真，虚拟仿真网络对虚拟作战场景进行的仿真。

4.根据权利要求3所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述信道模型用于接收剧情数据，根据无线电台模拟的接收和发射命令对发射端和接收端之间的信道进行传播估算，并将经过信道传播损耗后的功率数据发送给接收电台；

所述信道模型包括短波和超短波信道传播特性的模拟，其中短波传播采用ITU-RP.533天波传播模型和ITU-R P.368-9地波传播模型对短波传播进行模拟，超短波采用ITU-RP.525地球表面视距传播模型和自由空间衰减模型进行传播模拟；

所述信道模型包括硬件架构和软件架构；所述硬件架构基于SDR平台进行信道建模，所述软件架构通过软件编程来实现无线电台的各种功能，通过软件设置信道场景的参数来实现信道模拟功能。

5.根据权利要求4所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述信道模型软件架构中软件分为三层，分别是：算法实现层、功能控制层以及人机交互层。

6.根据权利要求5所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述算法实现层位于信道传输模拟器软件的最底层，是信道传输模拟器软件的核心部分；

所述算法实现层将信道传输模拟器的工作状态返回功能控制层；

所述算法实现层的工作包括：

根据信道中各节点的地理位置及其历史位置，计算各节点的姿态，确定其安装的通信天线在空间中的增益分布；再根据收发双反节点的位置确定其相互位置关系，确定发射电波方向的发射天线增益，入射电波方向的接发天线增益；

根据链路工作频率范围，确定链路传播模型，计算链路传播损耗；

建立地理环境模型，可描述地球表面视距、障碍物遮挡传播路径以及反射电波传播；

搭建多端口射频互联网络，为被测评的装备提供射频互联环境。

7.根据权利要求5所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述功能控制层的配置包括：多种路径参数设置模式、ITS路径参数设置模式、灵活的输出功率模式、信噪比锁定模式以及信道资源配置。

8.根据权利要求7所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述多种路径参数设置模式下，用户可详细指定每一条路径的延时，衰减、增益以及多普勒参数，对接收机多径克服算法进行详细调试和优化；

所述ITS路径参数设置模式下，用户通过设置ITS模型的参数，由设备自动生成个路径的衰减和相位，加速对设备在逼近真实的短波信道下的快速性能评估；

所述灵活的输出功率模式下，实行绝对衰减锁定模式，设备根据输入功率及所设置的信道衰减参数，输出符合实际接收机的接收功率，利于用户评估实际接收机的接收灵敏度；

信噪比锁定模式下，用户可根据预期的设备输出功率，设备在该输出功率上保证用户所获得的实际信噪比，利于用户在设定功率上的接收机性能评估；

信道资源配置模式下，每个通道可支持信道的多径数量配置，使用FPGA资源实现高速延时算法，所有的路径均支持延时配置。

9.根据权利要求5所述的多移动节点组网通信信道建模系统，其特征在于，所述人机交互层包括：剧情数据的列表显示、链路损耗的显示和通信参数配置。

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